一种基于海气耦合模式生成海洋场模式值的方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种基于海气耦合模式生成海洋场模式值的方法及系统，该方法包括：获得海洋场海表温度异常数据和大气场风压异常数据；将海表温度异常数据进行奇异值分解，获得多个海表温度经验空间模态和各模态对应的时间系数；对大气场风压异常数据进行奇异值分解，获得多个大气场风压经验空间模态和各模态对应的时间系数；对多个海表温度经验空间模态、各海表温度经验空间模态对应的时间系数、多个大气场风压经验空间模态和各大气场风压经验空间模态对应的时间系数积分，获得多模态的海洋场异常模式值；通过对海洋场异常模式值进行重组，获得不同ENSO类型影响的海洋场模式值。获得不同ENSO类型影响的海洋场模式值。获得不同ENSO类型影响的海洋场模式值。

【技术实现步骤摘要】
一种基于海气耦合模式生成海洋场模式值的方法及系统


[0001]本专利技术涉及海洋数据观测
，特别是涉及一种基于海气耦合模式生成海洋场模式值的方法及系统。

技术介绍

[0002]海表盐度(SSS)作为海气交界面处的关键要素，不仅影响着密度场、混合层深度、垂向混合与夹卷、海洋生物等海洋现象或过程，其年际和低频变化还与海气相互作用、全球气候变化息息相关。与海表温度(SST)和热通量(HF)间的相互作用不同，从SSS到淡水通量(FWF，蒸发减降水)没有强烈的直接、即时的反馈，SSS变化可以一阶近似地反映FWF的变化(Terray et al.2012；Wang andZhang 2012)，因此是理解全球水循环机制和预测气候变化的重要信息。相对于厄尔尼诺
‑
南方涛动(ENSO，El Southern Oscillation)年际信号(2～7yr)，太平洋海表盐度年代际低频变化(>7yr)的机理更加复杂，是一个研究热点和难点。
[0003]在年际尺度上，近年来受益于区域专项观测计划、全球Argo浮标、盐度卫星等海洋盐度资料的逐渐丰富，关于热带太平洋海表盐度的ENSO基本形态、东太平洋型ENSO(EP
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ENSO)与中太平洋型ENSO(CP
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ENSO)对比特征、盐度对ENSO的影响等研究都有了突破性进展(Delcroix et al.1996；Singh et al.2011；Zheng andZhang 2015)，利用多种耦合模式数值试验对FWF和SSS的关系、FWF对SST变率的反馈等也有了较合理的解释和证据(Zhang and Busalacchi 2009；Kang et al.2014；Zhi et al.2015a)。在年代际尺度上，传统观点认为太平洋SSS低频变化与SST一样，由太平洋年代际振荡(PDO；北太平洋SST异常变化的主要模态；Hare 1996)控制并与70年代中期、90年代末期的年代际信号稳态转换相关(Overland and Salo 1999；Delcroix et al.2007；Nurhati 2011；Lin 2014)。但北太平洋涡旋振荡(NPGO；东北太平洋海面高度SSH或SST异常变化的第二模态；Di Lorenzo et al.2008)概念的出现对传统理论提出了挑战。虽定义为SSH(或SST)第二模态，但NPGO控制着“东北太平洋盐度低频变化的主要模态”，并且扩展到了北太平洋以外成为全球气候变化的一部分(Di Lorenzo et al.2009；Di Lorenzo et al.2010)。相关例证包括：如果将其彻底分离，SSS的年代际分量在热带太平洋与PDO的相关性很差(Chen et al.2012)；NPGO作为SSS低频变化的主导模态，在热带太平洋与在北太平洋同样适用(Chen et al.2014)。事实上，NPGO有着比ENSO大得多的时间尺度，其相对ENSO年际变化较为独立，在太平洋年代际气候中扮演着更为关键的角色(Furtado et al.2012；Yi et al.2015)；相反，PDO更像是整个流域的ENSO模态在北太平洋的一个表现，并非一个独立模态(Schneider and Cornuelle 2005)。
[0004]在很大程度上，太平洋海表盐度低频变化就是这两种不同海域、不同尺度的信号相互作用的结果。连接热带EP
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ENSO、中纬阿留申低压(AL)、北太平洋PDO三者的动力机制称为“大气桥”(Alexander et al.2002)。针对NPGO也有一种类似的遥相关理论——“CP
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ENSO
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北太平洋振荡(NPO)
‑
NPGO”关系，提供了研究太平洋年代际气候的新视角(Di Lorenzo et al.2010；Di Lorenzo et al.2013)。其中，CP
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ENSO定义为热带太平洋SST变化
的第二模态(Kao and Yu2009)；NPO定义为北太平洋海平面气压(SLP)异常变化的第二模态(Linkin andNigam 2008)。该理论认为：热带CP
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ENSO驱动了中北太平洋上与NPO相联系的大尺度大气环流变化，此变化被海洋吸纳并催生海洋NPGO变化(Park et al.2012)。这种机制和表征NPO对ENSO影响的太平洋经向模态(MM)一起，构成了一个完整的“热带
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热带外”相互作用反馈循环，其滞后时间催生了显著的海洋低频变化(Di Lorenzo et al.2015)。最近几十年中，由于全球气候变暖等原因，CP
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ENSO和NPGO的出现概率和方差都在增大，因而CPW
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NPO
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NPGO关系在驱动太平洋海气系统变化方面的作用越来越重要(Yeh et al.2009；Sydeman et al.2013)。
[0005]在这个科学性与重要性都得到广泛共识的遥相关机制框架下，一个值得关注的问题是：为何SSS和SST的变化在热带太平洋都由EP
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ENSO主导，而到了北太平洋却分别由NPGO和PDO主导。从大气环流驱动的角度，这主要源于SSS相对于SST的平均梯度分布特点以及NPGO和PDO两种模态相关大气驱动产生的异常表层流的流向分布差别(Chhark et al.2009)；从淡水通量驱动的角度，这可能是由于热带FWF异常产生的SSS异常不会受到海洋对大气反馈的削弱而维持较长时间、传播较远距离(Huang et al.2005)，保留了更多的热带低频能量(如CP
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ENSO变化)(Furtado et al.,2012)。以上理论有些只是假设，但确定的是，SSS与SST的年代际低频变化及其动力机制有着重要差别，需要区分地研究ENSO类型和强度在其中的影响作用。
[0006]近年来，基于多种观测资料、再分析资料、数值模式输出和模式对比试验，海表温度的NPGO模态及其与热带海洋信号的关系在整个太平洋海域得到了充分验证和讨论(Furtado et al.2011；Wang et al.2012；Yi et al.2015；Di Lorenzo et al.2013；Di Lorenzo and Mantua 2016)。而关于SSS的NPGO模态研究，或局限于最初的东北太平洋(Di Lorenzo et al.2009；Chhark et al.2009)，或仅关注热带太平洋(Chen et al.2012；Chen et al.2014；Messie and Chavez,2013)，还没有研究针对整个太平洋海表盐度的NPGO模态及相关低频变化信号与CP
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ENSO的关系进行验证。这固然是由于温度和盐度在NPGO变化的热带驱动机制方面有共通之处，但更重要的是盐度观测资料在数据来源、代表性、序列长度、覆盖本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于海气耦合模式生成海洋场模式值的方法，其特征在于，包括：基于设定时间范围和设定空间范围，通过太平洋海气耦合模式控制试验获得海洋模式的海表温度的输出，记为海表温度控制输出；将在设定时间范围内所述海表温度控制输出的平均值记为海表温度气候平均值；基于设定时间范围和设定空间范围内的海表温度观测数据和大气风场观测数据，获得海洋场海表温度异常数据和大气场风压异常数据；将所述海表温度异常数据进行奇异值分解，获得多个海表温度经验空间模态和各海表温度经验空间模态对应的时间系数；对所述大气场风压异常数据进行奇异值分解，获得多个大气场风压经验空间模态和各大气场风压经验空间模态对应的时间系数；按照时间序列通过多次积分获得多模态的海洋场异常模式值，具体为：第T步积分时，将第T步大气场模式值减去大气场气候平均值得到第T步大气场异常模式值；当为第一步积分时，大气场异常模式值为初始大气场异常模式值；根据第T步大气场异常模式值和各大气场风压经验空间模态进行空间点积分，获得第T步的大气场时间系数；根据各海表温度经验空间模态、各海表温度经验空间模态对应的时间系数、各大气场风压经验空间模态对应的时间系数和第T步的大气场时间系数确定第T步的海洋场异常模式值；对第T步的海洋场异常模式值进行重组，获得第T步表征EP
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ENSO的模态、第T步表征CP
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ENSO的模态和第T步剩余模态，第T步剩余模态为第T步的海洋场异常模式值中除了表征EP
‑
ENSO的模态和表征CP
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ENSO的模态之外的其他模态的总和；根据所述海表温度控制输出、所述海表温度气候平均值、第T步表征EP
‑
ENSO的模态、第T步表征CP
‑
ENSO的模态和第T步剩余模态确定ENSO强迫试验的输出，记为第T步的第一海洋场模式值；根据所述海表温度控制输出、所述海表温度气候平均值、第T步表征EP
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ENSO的模态和第T步剩余模态确定无CP
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ENSO强迫试验的输出，记为第T步的第二海洋场模式值；根据所述海表温度控制输出、所述海表温度气候平均值、第T步表征CP
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ENSO的模态和第T步剩余模态确定无EP
‑
ENSO强迫试验的输出，记为第T步的第三海洋场模式值；根据所述海表温度控制输出和所述海表温度气候平均值确定无ENSO强迫试验的输出，记为第T步的第四海洋场模式值；利用第T步的第一海洋场模式值、第二海洋场模式值、第三海洋场模式值和第四海洋场模式值驱动得到下一步的大气场异常模式值，将T值加1，返回“第T步积分时，将第T步大气场模式值减去大气场气候平均值得到第T步大气场异常模式值；当为第一步积分时，大气场异常模式值为初始大气场异常模式值”，直到T等于设定值时停止循环，分别输出第一海洋场模式值、第二海洋场模式值、第三海洋场模式值和第四海洋场模式值的时间序列。2.根据权利要求1所述的基于海气耦合模式生成海洋场模式值的方法，其特征在于，所述海表温度观测数据为欧洲中期天气预报中心的ORAS4再分析数据集中数据；所述大气风场观测数据为美国国家环境预测中心
‑
国家大气研究中心的再分析数据集中数据。3.根据权利要求1所述的基于海气耦合模式生成海洋场模式值的方法，其特征在于，所述太平洋海气耦合模式为FGOALS
‑
g3。
4.根据权利要求1所述的基于海气耦合模式生成海洋场模式值的方法，其特征在于，第T步的海洋场异常模式值表示为：T步的海洋场异常模式值表示为：其中，X
anom
(s,T)表示第T步的海洋场异常模式值，K表示模态数量，a
k
表示海表温度经验空间模态对应的时间系数的历史观测序列，b
k
表示大气场风压经验空间模态对应的时间系数的历史观测序列，Y
anom
(s,T)表示第T步的大气场异常模式值，u
k
(s)表示海表温度经验空间模态，v
k
(s)表示大气场风压经验空间模态，k表示模态序号，s表示空间点，m为经纬格点数。5.根据权利要求4所述的基于海气耦合模式生成海洋场模式值的方法，其特征在于，第T步表征EP
‑
ENSO的模态为第T步的海洋场异常模式值的第一模态，第T步表征CP
‑
ENSO的模态为第T步的海洋场异常模式值的第二模态，第T步的剩余模态为第T步的海洋场异常模式值中第三模态到第K模态的总和。6.根据权利要求5所述的基于海气耦合模式生成海洋场模式值的方法，其特征在于，所述第一海洋场模式值表示为：SST
new1
＝(1
‑
w)SST
CTL
+w(SST
clim
+SSTa1+SSTa2+SSTa
resi
)；所述第二海洋场模式值表示为：SST
new2
＝(1
‑
w)SST
CTL
+w(SST
clim
+SSTa1+SSTa
resi
)；所述第三海洋场模式值表示为：SST
new3
＝(1
‑
w)SST
CTL
+w(SST
clim
+SSTa2+SSTa
resi
)；所述第四海洋场模式值表示为：SST
new4
＝(1
‑
w)SST
CTL
+SST
clim
；其中，w为空间过渡加权系数，SST
CTL
表示所述海表温度控制输出，SSTclim表示所述海表温度气候平均值，SSTa1表示表征EP
‑
ENSO的模态，SSTa2表示表征CP
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ENSO的模态，SSTa
resi
表示剩余模态。7.一种基于海气耦合模式生成海洋场模式值的系统，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈建，白成祖，孔晓娟，刘恒昌，
申请(专利权)人：中国人民解放军六一五四零部队，
类型：发明
国别省市：